模具系统的软件

第二节　模具CAD/CAM系统的软件

模具CAD/CAM系统除了要具备硬件设备外，还必须配备相应的软件。软件是CAD/CAM系统功能强弱、效率高低和使用是否方便的关键因素。在购置模具CAD/CAM系统时，软件部分的投资往往超过硬件部分。

一、模具CAD/CAM系统的软件的分类

图2－6　CAD/CAM软件层次

模具CAD/CAM系统的软件多种多样，其作用亦各不相同。一般来说，模具CAD/CAM的软件可分为系统软件(一级软件)、支撑软件(二级软件)和应用软件(三级软件)三类，如图2－6所示(图中OS意为操作系统，Operating System)。

在系统软件的支持下，可以开发和运行一般的应用软件。要开发CAD/CAM应用软件需要有特殊的支撑软件环境。系统软件和支撑软件是同计算机一起购进的，形成CAD/CAM系统的二次开发环境，用户在此环境下移植或自行开发所需要的CAD/CAM应用软件来完成特定的设计制造任务。CAD/CAM系统的功能和效益最终反映在CAD/CAM应用软件的水平上，而高水平的CAD/CAM应用软件又必须以高水平的开发环境为基础。CAD/CAM系统中必须要有结合本企业特点的应用软件，才能提高设计效率和质量，实现CAD/CAM一体化。

系统软件是与计算机硬件直接关联的软件，是由软件专业人员设计的。它起着扩充计算机的功能和合理调度与运用计算机的作用。支撑软件是在系统软件基础上研制的，它包括进行CAD设计时所需的各类通用软件。应用软件是在系统软件及支撑软件支持下，为实现某个应用领域内的特定任务而编制的软件。

1．系统软件

系统软件指的是在计算机运行状态下，保证用户正确而方便地工作的那部分软件，主要用于计算机硬件的管理、维护、控制及运行，以及计算机程序的翻译、装入和运行。系统软件有两个特点:一是公用性，无论哪个应用领域都要用到它;二是基础性，各种支撑软件及应用软件都需要在系统软件支持下运行。系统软件包括操作系统、编译系统等。

(1)操作系统　操作系统是管理和控制计算机的硬件资源和数据的大型控制程序，是计算机和用户之间的接口，能使用户方便地操作使用计算机。它提供了软件开发环境和运行环境。操作系统全面管理计算机资源，合理地组织计算机的工作流程，操作系统的管理包括CPU管理、存储管理、文件管理、输入输出管理和作业管理等。它是计算机系统都具有的系统软件，是系统软件的核心。

图2－7　UNIX系统的结构

操作系统种类很多，仅在微机上常用的操作系统就有DOS、Windows、UNIX、XENIX等。图2－7是UNIX系统的结构，其组成可以分为三个层次:最内层为内核，中间层为系统调用库，外层为核外程序。

①内核　它紧邻硬件，是操作系统的管理和控制中心。内核由数十个用C语言和汇编语言编制的源程序文件组成，它们常驻内存，用户不得对其修改，主要承担以下任务:

·进程管理，包括创建新进程、进程等待、进程终止、进程的处理及调度、进程在内外存间的替换以及进程间通信等。

·内存管理，包括为进程分配存储空间以及存放程序和数据，避免进程运行时在内存空间上可能发生的冲突和破坏。

·设备管理，包括外设的分配、控制、信息交流以及释放等。

·文件系统管理，对文件以及文件的物理存储空间实施管理。

②系统功能调用库　系统功能调用库是内核面向核外程序的界面。在UNIX系统中，系统资源由操作系统统一管理，因此，在用户程序中，与系统资源有关的一切操作，都必须由操作系统执行。当用户要求使用系统资源时，操作系统必须为用户提供必要的手段，使得用户程序在运行中能获得操作系统提供的服务，这种手段，就是系统调用。系统调用大致可分为三类:

·与进程管理及控制有关的系统调用，如进程的创建、睡眠、撤消，进程间的同步和通信，进程的各种标识书的设置和获得，进程的优先数及进程占有内存区的分配等。

·与文件系统有关的系统调用，如文件的创建、打开和关闭等。

·其他，如设置终端状态、设置系统时间等。

③核外程序　核外程序处于UNIX系统的最外层，包括语言处理程序、实用程序以及用户自编的并经编译和连接处理而成的各种可执行的目标程序。

(2)编译系统　在开发模具CAD/CAM系统时，还需要用到编译系统和汇编系统。编写应用程序是模具CAD/CAM人员的一项经常性的工作，程序设计语言是必须掌握的基本工具。编译系统的作用是将用高级语言编写的程序翻译成计算机能够直接执行的机器指令。有了编译系统，用户就可以应用接近于人类自然语言和数学语言的方式来编写程序，翻译成机器指令的工作交由编译系统去完成，这样就可能使非计算机专业的各类工程技术人员很容易地应用计算机来实现其目的。目前，国内外广泛应用的高级语言有: AGOL、BASIC、FORTRAN、PASCAL、COBOL、C、USP等，均有相应的编译系统。

编译是指将高级语言源程序翻译为目标程序，完成这种翻译任务的软件称为“编译程序”。编译程序的工作过程如图2－8所示。

图2－8　编译程序工作过程

2．支撑软件

支撑软件是CAD软件系统的核心，它是为满足在CAD工作中一些用户的共同需要而开发的通用软件。模具CAD/CAM系统的支撑软件主要包括计算机分析软件、图形处理软件、几何造型软件、数据库管理系统、网络管理软件等。

(1)计算机分析软件　这类软件主要用来解决工程设计中的数值计算问题，主要有:常用数学方法程序库、有限元法结构分析软件和优化设计软件。

(2)图形处理软件　图形是机械电子产品制造工程领域的重要表现形式，图形处理软件是模具CAD/CAM系统中的重要支撑软件，它可使用户方便地在屏幕上建立和修改图形，在绘图机上输出图形。图形软件按应用范围分为二维图形软件和三维图形软件。

常用的二维图形软件包的基本功能包括:产生各种基本的图形元素，如点、线、圆、多边形等;图形变换，如放大、平移、旋转等;控制显示，开窗口，局部放大;局部删除图形元素，修改、编辑图形;输入和输出功能。除上述基本功能外，二维图形软件包提供的功能还有尺寸标注、书写文字、画剖面线等。

常用的三维图形软件包的基本功能包括:3D线框的构建，曲线、曲面的构建等。

为了使图形软件能够方便地在不同计算机和图形设备之间移植，国际标准化组织(ISO)制定了一些图形软件标准，常用的基础图形软件有:计算机图形虚拟设备接口基础软件CGI(Computer Graphics Interface)、图形核心系统GKS(Graphics Kernal System)等。

CGI提供了一种与设备无关的控制图形软件的方法，是一种图形设备驱动程序的标准。GKS定义了一个独立于语言的图形系统的核心，在具体应用中，按照所使用语言的约定方式，把GKS嵌入到相应的语言中。

图2－9　图形软件系统的层次

图形软件系统的层次可用图2－9表示。GKS是图形系统的核心部分，提供了应用程序和图形输入、输出设备之间的功能接口，它包含了基本的图形处理功能，处于与语言无关的层次。在图2－9中，每一层次可以调用相邻的较低的层次。

(3)几何造型软件　它提供一套完整地描述物体特征信息的方法，从而实现CAD/ CAM的集成。要实现模具CAD/CAM集成，首先必须描述产品零件的形状特征、精度特征、材料特征和其他工艺特征，为CAPP提供所需的信息。

几何造型软件是用于建立几何模型的软件，利用几何造型软件的功能，可以定义物体的几何形状及其相互关系。利用计算机技术建立的几何模型为设计、图形显示、数控编程及数控加工等提供必要的信息。几何造型软件是模具CAD/CAM系统必不可少的支撑软件。

几何造型方法按产生的几何模型的不同可分为线框造型、表面造型和实体造型，所产生的模型分别为线框模型、表面模型和实体模型。集成化的造型软件增强了几何造型的功能，扩大了其应用范围。

(4)数据库管理系统　模具CAD/CAM是一个信息分析、处理和传递的过程，在模具设计制造过程中，需要对大量的数据进行处理和操作。这些数据中有动态数据，主要用于描述设计结果和用于各子系统之间的信息交换;也有静态数据，如标准设计数据、标准图形文件等。数据管理是模具CAD/CAM中的一个比较重要的部分，设计、查询、对话和图形显示等项活动都和数据库有着密切的关系。

数据库管理系统(Data Base Management System，缩写DBMS)是为了适应数量庞大的数据处理和信息交换的需要，在操作系统基础上建立的操纵和管理数据库的软件。数据库管理系统除了保证数据资源共享、信息保密、数据安全之外，还能尽量减少数据库内数据的重复。用户都是通过数据库管理系统来使用数据库的，因而它也是用户与数据之间的接口。

适用于CAD/CAM的工程数据库管理系统，要求能管理极大的数据量，数据类型及数据关系也十分复杂，而且信息模式是动态的。一般通用的数据库管理系统在工程中并不适用。

(5)网络管理软件　在微机网络工程中，网络系统软件是必不可少的。计算机网络工程软件——网络CAD/CAM系统已经成为微机CAD/CAM主要的使用环境之一。比如NetWare就是Novell公司为本公司微机局域网产品设计的网络系统软件，它包含服务器操作系统、文件服务器软件、通信软件等。应用这些软件可进行网络文件系统管理、存储器管理、任务调度、用户间通信、软硬件共享等项工作。计算机网络工程软件随微机局域网产品一起提供。

3．应用软件

应用软件是在系统软件、支撑软件基础上，针对某一专门应用领域而研制开发出来的软件。应用软件是在模具设计制造过程中用于特定目的的软件，是用户结合当前设计的需要研究开发的，因此也称作“二次开发”。例如，机床设计软件、机械零件设计软件、冲裁模设计软件、注塑模设计软件及数控编程软件等，均属应用软件。能否充分发挥已有CAD/CAM硬件的功能，应用软件的开发是关键。

编制应用软件的过程就是将模具设计制造工艺设计解析化、程序化的过程。目前，绝大多数模具CAD/CAM系统为交互式系统，系统允许用户方便地输入数据、选择功能。菜单作为用户界面，可以使系统易学易用，不仅能提高工作效率，而且可减少错误率。

用户通过点击菜单可以完成输入命令和参数、动态编辑图形等工作。菜单按照在屏幕上的出现方式，可分为固定式菜单、下拉式菜单、弹出式菜单和翻页式菜单等类型;根据菜单项目的表达方式，又可分为文字菜单和图形菜单。

通常，将屏幕分为三个区，图2－10所示为一种分区布置方式。工作区用来显示图形和其他工作内容;菜单区用以显示可供选择的菜单项目;提示区用来显示系统数据和输出数据。

图2－10　界面的分区布置

在设计过程中有一部分工作不是计算及绘图，而是需要依靠工程设计与制造人员丰富的实践经验和专业知识，经过严密的思维、推理与判断来进行。通过计算机工作来模拟专家解决问题，为达到这个目的而编制的智能型计算机程序称为专家系统，专家系统也可以看作一种应用软件。在人工智能技术发展的基础上，近年来专家系统技术有了迅速的发展。模具CAD/CAM应用软件将运用专家系统的概念和方法，使CAD/CAM进一步向智能化、自动化方向发展。

二、国外CAD/CAM软件简介

1．UG软件

Unigraphics简称UG，是美国EDS(Electronic Data Systems)公司开发的CAD/CAE/ CAM一体化软件，可以运行于不同的硬件平台，被广泛应用于航空航天、汽车、通用机械制造、模具制造等领域，在模具领域常应用于塑模、钣金成型模及冲模的设计和制造。它由计算机辅助设计、计算机辅助工程、仿真、质量保证、开发工具、软件接口、计算机辅助制造及钣金加工等部分组成。其特点是功能强大，界面清晰，采用3D显示，可以方便地与Pro/E、Cimatron等其他CAD/CAM软件进行数字交换，采用复合建模方法，CAM功能完善。

UG可在Windows下运行，装配图和零件图设计都从三维实体造型开始，可视化程度很高。三维实体生成后，可自动生成二维视图，如三视图、轴测图、剖视图等。其三维CAD是参数化的，修改一个零件尺寸，可使相关零件变化。UG的CAM模块提供了一种产生精确刀具路径的方法，允许用户通过观察刀具运动来图形化地编辑大局路径，如延伸、修剪等，其所带的后处理程序支持多种数控机床。UG具有多种图形文件接口，可用于复杂形体的造型设计，特别适合大型企业和研究所使用。

2．Pro/Engineer

Pro/E是美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation)推出的一套大型的以参数化为基本特征的三维CAD/CAM一体化软件，它是20世纪80年代以来参数技术和特征设计的典型代表，已成为世界最普及的3D CAD/CAM系统，广泛应用于电子、机械、工业设计、汽车、摩托车、航天、家用电器、玩具等各行业。Pro/E软件集零件设计、部件装配、数控加工、钣金件设计、铸件设计、造型设计、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据库管理、模具开发等功能于一体。

Pro/Engineer是面向对象的统一数据库和全参数化造型技术，为三维实体造型提供了一个优良的设计平台，其工业设计方案可以直接读取内部的零件和装配文件，当原始造型被修改后，具有自动更新的功能。其MOLDESIGN模块用于建立几何外型，产生模具的模芯和控体，产生精加工零件和完善的模具装配文件。现在的Pro/Engineer可以创建最佳加工路径控制和智能化加工路径，允许数控编程人员控制整体的加工路径直到最细节的部分。该软件还支持高速加工和多轴加工，带有多种图形文件接口。

3．Mastercam

Mastercam是由美国CNC Software公司在20世纪80年代初研制开发的机械制造CAD/CAM集成化软件，由于它优良的性能品质和基于微机系统运行的优势，已经得到广泛的应用，尤其在模具设计与制造行业中应用最广。该软件系统支持CAD工程图的绘制，同时又能完成复杂曲面造型及实现多种加工方式与加工刀路编制，最后输出数控加工程序进行加工。

Mastercam的组成模块包含系统设计模块和系统制造模块。系统设计模块是系统的CAD部分，可进行2维图形、3维图形、高阶曲面的绘制等，还可以进行编辑、转换、尺寸标注和填充剖面线，并能实现图形的动态旋转显示、着色处理等。系统制造模块提供了2～5轴加工的铣床2～3维模组(Mill 2D～3D)、车床模组(Lathe)、线切割模组(Wire EDM)和冲床模组(Punch)。该软件还包括新的C轴编程功能，可顺利将铣削和车削结合，其后处理程序支持铣削、车削、线切割、激光加工以及多轴加工。

4．SolidWorks

SolidWorks是生信国际有限公司推出的基于Windows系统的机械设计自动化软件，它充分利用了众人所熟悉的Windows图形用户界面的优势。该公司提倡的“基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统”是以Windows为平台、以SolidWorks为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等，为企业提供了良好的解决方案。

SolidWorks是微机版参数化特征造型软件的新秀，该软件旨在以工作站版的相应软件价格的1/4～1/5向广大机械设计人员提供用户界面更友好、运行环境更大众化的实体造型实用功能。SolidWorks是全参数化特征造型软件，使用这套工具，机械设计工程师能快速地按照其设计思想绘制出草图，可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。

5．I－DEAS

I－DEAS软件是美国SDRC公司开发的一套完整的CAD/CAM系统，是一种综合性的机械设计自动化软件系统，其侧重点是工程分析和产品建模。它采用开放型的数据结构，把设计、绘图、工程分析、实体建模、实验数据分析与综合、塑料成型过程模拟、数控编程、测试以及文件管理等集成为一体。I－DEAS通过公用接口以及共享的应用数据库，把软件各模块集成于一个系统中，其中实体建模是I－DEAS的基础，它包括了物体建模、系统组装及机构设计等模块。物体建模模块可通过定义非均匀有理B样条曲线构成的光滑表面来形成雕塑曲面;系统组装模块通过对给定几何实体的定位来表达组件的关系，并可实现干涉检验及物理特性计算;机构设计模块用来分析机构的复杂运动关系，并可通过动画显示连杆机构的运动过程。

6．CATIA

CATIA(Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application)软件是由法国达索飞机公司研制开发的三维几何造型功能很强的交互式CAD/CAM/CAE系统，广泛用于航空、汽车等领域。它本身具有工程绘图、数控加工编程、计算机分析等功能，能方便地实现二维元素与三维元素之间的转换，具有平面或空间机构运动学方面的模拟及分析功能。

CATIA软件的主要特点是三维建模能力强，具有建立线框、表面和实体模型的能力。它在曲面造型方面更为突出，采用特征造型和参数化造型技术，比如自动指定或由用户指定参数设计、几何或功能约束的变量式设计等。根据其提供的三维线架，用户可以精确地建立、分析与修改三维几何模型。其曲面造型具有高级曲面设计和自由外形设计的功能，可以处理复杂的曲线和曲面定义，还包括分析工具，加速了曲面设计过程。CATIA提供的装配设计模块可以建立并管理基于三维零件和约束的机械装配件，实现自动地定义零件间的连接，对运动机构进行早期分析，大大加速了装配件的设计，后续应用则可利用此模型进行进一步的设计、分析和制造。CATIA还具有一个数控工艺数据库，存有刀具、刀具组件、材料和切削状态等信息，可自动计算加工时间，并对刀具路径进行重放和验证，用户可通过图形化显示来检查和修改刀具轨迹。该软件的后处理程序支持铣床、车床和多轴加工。

7．Cimatron

Cimatron是以色列Cimatron Technologies公司开发的，可运行于DOS、Windows系统下。它是一个集成的CAD/CAM产品，在统一的系统环境下，用户可以完成产品的结构设计、零件设计以及模具设计，输出设计图样，再对凹、凸模进行自动的数控加工设计，输出加工的数控代码。其CAD部分支持复杂曲线和复杂曲面造型设计，所以在中小型模具制造业有较大的市场。在确定工序所用的刀具后，其数控模块能够检查出应在何处保留材料不加工，而对零件上符合一定几何或技术规则的区域进行加工。通过保存技术样板，可以指示系统如何进行切削，还可以重新应用于其他加工件，即所谓基于知识的加工。该软件能够对含有实体和曲面的混合模型进行加工。它还具有多种图形文件接口。

三、国内CAD/CAM软件简介

1．CAXA系列软件

CAXA是北京北航海尔软件有限公司(原北京航空航天大学华正软件研究所)面向我国工业界推出的全中文界面的工程绘图、数控加工、注射模设计、注塑工艺分析、数控机床、通信等一系列CAD/CAM/CAE软件。主要包括以下几种:

(1) CAXA电子图板　是一套高效、方便、智能化的通用设计绘图软件，适合所有需要二维绘图的场合，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计，使设计人员可以把精力集中在设计构思上，满足现代企业快速设计、绘图和信息电子化的要求。

(2) CAXA制造工程师(CAXA－ME)　面向加工中心的CAM软件，该软件为中文界面，具有强大的实体造型功能，可迅速建立复杂的三维模型，可实现用曲面裁剪实体、用曲面生成实体、用曲面约束实体等混合操作，具有灵活多样的加工方式，能快速生成加工轨迹。通用的后置处理适用于各种数控系统。

(3) CAXA注射模具设计(CAXA－IMD)　注射模专业CAD软件，它提供注射模标准架和零件库，以及塑料模具材料、注射材料和注射机等的设计参数数据库，可随时查询、检索，并能对模具进行各种计算。

(4) CAXA注射工艺(CAXA－IPD)　是面向注塑行业的CAE软件，与美国C－MOLD公司合作开发。通过科学的分析方法和简单操作，可预测注塑工艺过程，确定优化的注塑工艺参数，以达到优化设计的目的。

(5) CAXA线切割(CAXA－WEDM)　数控线切割机床的CAM软件，可用交互方式绘制需切割的图形，自动生成有复杂形状轮廓的两轴线切割加工轨迹。输出3B或G代码，支持快、慢走丝线切割机床的编程加工。

2．高华CAD

高华CAD是由北京高华计算机有限公司研制开发的CAD产品。高华CAD系列产品包括机械设计及绘图系统GHMDS、计算机辅助绘图支撑系统GHDrafting、工艺设计系统GHCAPP、三维几何造型系统GHGEM、产品数据管理系统GHPDMS及自动数控编程系统GHCAM。其中绘图系统GHMDS是基于参数化设计的CAD/CAE/CAM集成系统，它具有全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图素拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。

3．塑性成型数值仿真系统(S－FORM)

S－FORM数值仿真系统是由模具计算机辅助设计国家工程研究中心、上海模具技术研究所与上海交通大学塑性成型工程系共同研制开发的一套金属塑性成型有限元数值分析软件系统。该软件系统可以对金属塑性成型过程进行实时跟踪描述，以揭示金属塑性流动规则、各物理场的变化规律及丰富的变形力学信息。

4．GS－CAD98

GS－CAD98是浙江大天电子信息工程有限公司开发的基于特征的参数化造型系统，是一套基于Windows环境的真正三维软件。GS－CAD98包括实体、草图、参数化特征造型及高级曲面造型技术。GS－CAD98的自适应参数关联技术保证从设计到制造过程中各个环节的一致性。

主要功能:GS－CAD98是全中文图示化界面，全方位支持产品的零件设计、装配设计和工程绘图，与通用Windows应用软件如Office97等可方便连接，具有强大的特征造型功能，并具有干涉检查、装配零件拆卸、爆炸图的自动生成等方面的功能。GS－CAD98以产品全局模型为基础，通过SETP中性文件和共享数据库与CAPP/CAM实现集成，并能与产品数据管理系统GS－PDM进行无缝连接，它实现了三维零件设计与装配设计、工程图生成的全程关联，在任一模块中所作的变更，在其他模块中都能自动地作出相应的变更。

5．金银花系统

金银花(Lonicera)系统是由广州红地技术有限公司开发的基于SETP标准的CAD/ CAPP/CAM集成系统，是支持机械产品设计与制造一体化的新一代软件。有下列模块:实体造型、参数化特征设计模块;工艺规程设计模块;控制加工程序模块;工程数据存取管理模块;车间作业管理系统模块;模具设计/制造模块。其特点是:

(1)产品设计、工艺规程设计、数控加工编程和有限元分析等应用软件组件插入金银花系统框架即可方便地实现产品数据的共享和集成，可支持企业开发产品的并行工程。

(2)符合产品数据表达与交换国际标准ISO―10303(SETP)，该标准为系统设计依据。

(3)用户界面形象化，具有设计过程导航操纵器(DEP)，易于学习、使用方便。

(4)BEE－DAE模块采用SETP的标准数据存取接口规范(SDAI)技术，可完成对全系统数据的存取和管理。

(5)机械设计平台(MDA－CADE)具有三维实体建模、参数化特征造型、变量化设计功能，并具备三维/二维双向关联、自动转换绘图的功能。

(6)具有SETP中性文件和各种数据转换接口，可与其他流行的CAD/CAM软件(如Pro/Engineer、UG)进行数据交换。

我国的CAD/CAM软件无论产品开发水平还是商品化、市场化程度都与发达国家有较大的差距。国外的CAD/CAM软件起步早，开发和应用的时间比较长，这些国外软件(如UG、MasterCAM、SolidWorks、Pro/Engieer等)公司利用其技术与资金方面的优势，在我国占据了较大的市场，因此发展我国自己的CAD/CAM软件已经迫在眉睫。